DE102011087374A1

DE102011087374A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver

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Publication number: DE102011087374A1
Application number: DE102011087374A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Realizer GmbH
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-05-29
Also published as: US9713856B2; ES2773116T3; EP2785481A1; US20140332507A1; EP2785481B1; WO2013079581A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver, umfassend die Schritte: a) Präparieren einer Schicht (34) aus Werkstoffpulver, b) Erhitzen der Schicht (34) durch ortsselektives Bestrahlen der Schicht (34) entsprechend einem der Schicht (34) zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (2) nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers (2) mit kontrollierter Strahlung, so dass das Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen entsprechend dem Querschnittsmuster des Formkörpers (2) durch Verschmelzen verfestigt wird, c) Präparieren einer nächsten Schicht aus Werkstoffpulver (34) auf der zuletzt bestrahlten Schicht und d) Erhitzen der zuletzt präpierten Schicht (34) durch ortsselektives Bestrahlen der Schicht (34) entsprechend einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers mit kontrollierter Strahlung, so dass das Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen entsprechend diesem Querschnittsmuster des Formkörpers (2) durch Verschmelzen verfestigt wird, und e) mehrfaches Wiederholen der Schritte c) und d) zumindest bis zur Fertigstellung des Aufbaus des Formkörpers (2), wobei der durch das Bestrahlen in den Bestrahlungsschritten d) erfolgende ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit durch Strahlung abhängig vom jeweiligen Bestrahlungsort auf der Pulverschicht (34) variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bestrahlungsschritten d) der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort (I, II, III, IV) aufder jeweiligen Schicht (34) in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs (38) des Bestrahlungsortes (I–IV) gewählt und durch Einstellung von Bestrahlungsparametern, wie Energiedichte der Strahlung am Bestrahlungsort oder/und Dauer der Bestrahlung des Bestrahlungsortes, automatisch entsprechend moduliert wird, wobei der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit am Bestrahlungsort im Rahmen etwaiger Toleranzen umso größer gewählt wird, je größer das Wärmeableitvermögen seines Umgebungsbereiches (38) ist. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ferner eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Es sind gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem oder/und keramischem Werkstoff bekannt. Die Vorrichtungen umfassen ein Prozessraumgehäuse mit einem Prozessraum, eine Trägeranordnung als Basis für den Schichtaufbau und zur Bereitstellung eines Baufeldes in dem Prozessraum, eine Bestrahlungseinrichtung mit dem Baufeld oben gegenüberliegenden Komponenten zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf der Trägeranordnung präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des betreffenden herzustellenden Formkörpers mit Strahlung, die das Werkstoffpulver in diesem Querschnittsbereich durch Erhitzen zum Verschmelzen oder ggf. zum Versintern bringt, und eine Schutzgassfördereinrichtung zum Durchleiten von Schutzgas durch den Prozessraum.
Zum Stand der Technik derartiger Vorrichtungen kann z. B. auf die DE 199 05 067 A1 , die DE 102 36 907 A1 , die DE 102 08 150 A1 , die DE 101 12 591 A1 , die EP 1 839 781 A2 oder die DE 196 49 865 A1 verwiesen werden.
Unter den Begriffen selektives Laserschmelzen, selektives Pulverschmelzen, selektives Lasersintern u. dgl. sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierter Geometrie bekannt geworden, wobei diese häufig unter dem Begriff ”Rapid Prototyping” oder ”Rapid Tooling” oder ”Rapid Manufacturing” zusammengefassten Methoden im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basieren:
Der herzustellende Gegenstand (Formkörper) wird nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten Geometriebeschreibungsdaten schichtweise aus einem feinkörnigen, pulverigen Rohmaterial aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Gegenstandes durch ortsselektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Dabei werden auch die einzelnen Schichten miteinander verbunden. Das Bestrahlen erfolgt normalerweise mittels Laserstrahlung, wobei die Steuerung einer den Laserstrahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Gegenstandes erfolgt. Die Steuerinformationen werden üblicherweise von einem Mikrocomputer oder Prozessrechner nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt.
Der Laserstrahl zeichnet auf der zuletzt präparierte Rohmaterialschicht das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Gegenstandes, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verschmelzen. Nach einem solchen Bestrahlungsschritt erfolgt dann üblicherweise die Präparation der nächsten Werkstoffpulverschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verschmolzenen Schicht. Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Werkstoffpulverschicht erfolgt dann wieder ein Bestrahlungsschritt in der vorstehend erläuterten Weise. Der Gegenstand entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinander folgend hergestellten Querschnittsschichten des Gegenstandes so miteinander verschmolzen werden, dass sie aneinander haften. Als Pulvermaterialien kommen diverse Metalle in Frage, darunter z. B. Stahl, Titan, Gold, Tantal und weitere. Auch keramisches Werkstoffpulver kann beim selektiven Laserschmelzen eingesetzt werden. Ferner sind mit der Methode des selektiven Laserschmelzens nahezu alle erdenklichen Formen von Gegenständen herstellbar, wodurch sie für die Herstellung von kompliziert geformten Maschinenelementen, Prothesen, Schmuckstücken usw. prädestiniert sind.
Das selektive Laserschmelzen wird abgekürzt auch als SLM bezeichnet.
Die Generierung eines Formkörpers mit Hilfe der SLM-Technik setzt eine vollständige Kontrolle der Geometriedaten eines Bauteils voraus. Die einzelnen Schichten werden datenmäßig aus einer dreidimensionalen Geometrie, z. B. eines STL-Datensatzes erzeugt. Während eines Bestrahlungsvorgangs tastet der Laserstrahl die umzuschmelzenden Bereiche in der jeweiligen Pulverschicht ab. Bei diesem Abtastvorgang entstehen Spuren oder auch nur Volumenelemente (Voxel) aus aufgeschmolzenem Metallpulver, die sich Voxel für Voxel und Schicht für Schicht zu einem dichten Metallteil nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers vereinigen. Als Bestrahlungsparameter kommen z. B. die Laserleistung, eine Lasermodulation oder die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls in Frage. Erfolgt der Bestrahlungsvorgang nicht durch kontinuierliches Weiterbewegen des Laserstrahls, sondern durch schrittweises Weiterbewegen von Bestrahlungsort zu Bestrahlungsort (von Voxel zu Voxel), so definiert sich die Abtastgeschwindigkeit durch einen Voxelabstand und eine Verweildauer des Laserstrahls am Bestrahlungsort.
Ein Problem bei den hier betrachteten Verfahren zur Herstellung von Formkörpern besteht darin, dass die mit einem bestimmten Energieeintrag pro Zeiteinheit am jeweiligen selektiven Bestrahlungsort herbeigeführte Temperaturerhöhung stark vom Wärmeableitvermögen der Umgebung des Bestrahlungsortes sowie weiterhin auch von der Wärmekapazität der Umgebung des Bestrahlungsortes sowie vom Bestrahlungsabsorptionsvermögen am Bestrahlungsort abhängt.
Problematisch ist dabei, dass das Wärmeableitvermögen des Pulvermaterials sich oft erheblich von dem Wärmeableitvermögen des im Verlauf des Bauprozesses bereits durch Umschmelzen verfestigten Materials des schon hergestellten Bereichs des Formkörpers unterscheidet. Ist der jeweilige Bestrahlungsort im Wesentlichen ausschließlich von Werkstoffpulver umgeben, so kann die am Bestrahlungsort entstehende Wärme nicht sehr gut abfließen und es kann leicht zu einer lokalen Überhitzung des Werkstoffpulvers weit über dessen Schmelztemperatur hinaus kommen. Ist hingegen der betrachtete Bestrahlungsort im Wesentlichen von bereits verfestigtem Material umgeben, so kann die Wärme aufgrund des besseren Wärmeableitvermögens der Umgebung besser abfließen und es kommt nicht so leicht zu Überhitzungen am Bestrahlungsort. Aufgrund dieser Effekte kam es häufig dazu, dass unterschiedliche Bereiche eines Formkörpers abhängig von dessen Geometrie mit durchaus erheblich unterschiedlichen Temperaturen umgeschmolzen wurden, was zur Ausbildung von mechanischen Spannungen in dem Formkörper und zu ungleichmäßigen Schrumpfvorgängen geführt hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dahingehend zu verbessern, dass der Umschmelzvorgang beim Bestrahlen des Pulvers mit einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung erfolgt und der betreffende Formkörper mit geringeren inneren mechanischen Spannungen und mit geringerem Verzug als bisher hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, bei dem in den Bestrahlungsschritten d) der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort auf der jeweiligen Schicht in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs des Bestrahlungsortes gewählt und durch Einstellung von Bestrahlungsparametern, wie Energiedichte der Strahlung am Bestrahlungsort oder/und Dauer der Bestrahlung des Bestrahlungsortes, automatisch entsprechend moduliert wird.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2–9 angegeben, wobei insbesondere die Vorgehensweise gemäß Anspruch 5 eine sehr einfache Möglichkeit der Bestimmung des Wärmeableitvermögens darstellt. Unter Bestimmung des Wärmeableitvermögens wird auch die Bestimmung einer Ersatzgröße verstanden, die ein insbesondere proportionales Maß für das Wärmeableitvermögen darstellt. Es muss daher im Rahmen der Erfindung nicht das exakte Wärmeleitvermögen der Umgebung eines betreffenden Bestrahlungsortes bestimmt und ausgerechnet werden. Im einfachsten Fall kann als Ersatzgröße die Menge der in einem betreffenden definierten Umgebungsbereich liegenden, durch Pulverumschmelzen bereits verfestigten Teils des herzustellenden Formkörpers herangezogen werden, wie dies insbesondere in den Patentansprüchen 5 und 6 zum Ausdruck kommt. Weiterbildend kann diese Menge an bereits verfestigten Volumenelementen noch durch wenigstens einen weiteren Parameter gewichtet werden, etwa durch die Anzahl der unmittelbar an das dem Bestrahlungsort zugeordnete Volumenelement berührend heranreichenden Nachbarelemente.
Je kleiner die Ersatzgröße für das Wärmeableitvermögen ist, desto geringer wird der Energieeintrag pro Zeiteinheit am Bestrahlungsort gewählt. Damit wird erreicht, dass die beim Umschmelzen erzeugten Temperaturen an den Bestrahlungsorten nicht mehr so stark differieren, als dies bisher unter Ausführung konventioneller SLM-Verfahren der Fall war.
Bei den betrachteten Volumenelementen handelt es sich vorzugsweise um Würfel oder Quader mit einer der Schichtdicke entsprechenden Höhe, wobei diese Volumenelemente exakt in den Schichten einander benachbart angeordnet werden. Alternativ können auch größere Volumenelemente und anders dimensionierte Umgebungsbereiche betrachtet werden.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist zur Durchführung des Verfahrens bestimmt und eingerichtet, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung programmiert ist, so dass in den Bestrahlungsschritten d) der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort auf der jeweiligen Schicht in Abhängigkeit von dem Wärmeleitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereiches des Bestrahlungsortes gewählt und durch Einstellung von Bestrahlungsparametern, wie Energiedichte der Strahlung am Bestrahlungsort oder/und Dauer der Bestrahlung des Bestrahlungsortes, automatisch entsprechend moduliert wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft die Verwendung eines Lasers als Strahlungsquelle.
Als Alternative dazu käme auch eine Strahlungsquelle in Frage, welche ein Strahlungsquellenarray oder ein Strahlumlenkarray aufweist, welches ein paralleles Bestrahlungsmuster auf der zu bestrahlenden Pulverschicht erzeugt. In diesem Bestrahlungsmuster können die einzelnen Arraypixel dann entsprechend dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung unterschiedlich starken Energieeintrag in das Pulvermaterial erzeugen, je nach Wärmeableitvermögen des Umgebungsbereichs des betrachteten Arraypixels. Eine solche Array-Strahlungsquelle kann z. B. als ”Vorwärmungsquelle” zusätzlich zu einem Laserstrahl benutzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung nach der Erfindung.
2 zeigt eine Erläuterungsskizze zur Darstellung von Schritten der Bestimmung einer Ersatzgröße für das Wärmeableitvermögen von Umgebungsbereichen von Bestrahlungsorten in einem Beispiel.
3a zeigt den in 2 mit A bezeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung und mit Einzeichnung von theoretischen Volumenelementen (nicht maßstäblich).
3b zeigt eine Draufsicht auf den in 3a dargestellten Umgebungsbereich.
4a zeigt den in 2 mit B gekennzeichneten Bereich in vergrößerter Darstellung entsprechend 3a.
4b zeigt den Umgebungsbereich aus 4a in Draufsicht.
5a zeigt den in 2 mit C gekennzeichneten Bereich in einer Darstellung entsprechend 3a.
5b zeigt den Umgebungsbereich aus 5a in Draufsicht.
6a zeigt den in 2 mit D gekennzeichneten Bereich in vergrößerter Darstellung gemäß 3a.
6b zeigt den Umgebungsbereich aus 6a in Draufsicht.
7 zeigt qualitativ unterschiedliche Bereiche der aktuel zu bestrahlenden Schicht aus 2, wobei diese Bereiche durch unterschiedliches Wärmeableitvermögen ihrer Umgebungen gekennzeichnet sind.
Die Erläuterungsskizze gemäß 1 zeigt eine Momentaufnahme bei der Herstellung eines Formkörpers 2 durch schichtweises Aufbauen aus einem Pulver 4, z. B. Stahlpulver, Titanpulver, Goldpulver usw. oder ggf. auch ein Mischpulver, mit einer Körnung von z. B. 10 μm–100 μm. Der Aufbau des Formkörpers 2 erfolgt in einem Prozessraum 6, welcher von dem Prozessraumgehäuse 8 begrenzt ist. In dem Prozessraum 6 herrscht Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise Argon-Atmosphäre, wobei der Pfeil 10 in 1 die Schutzgaszuleitung – und der Pfeil 12 die Schutzgasableitung andeutet. Das schichtweise Aufbauen des Gegenstandes 2 erfolgt auf einer Trägerplattform 14, welche mittels einer Vertikalantriebseinheit vertikal bewegbar und in verschiedenen Vertikaleinstellungen positionierbar ist. Ein Glättungsschieber 16 dient zur Präparierung und Einebnung einer neuen Pulverschicht auf der jeweils zuletzt bestrahlten Pulverschicht, wobei der Glättungsschieber in einem vertikalen Abstand entsprechend der gewünschten Pulverschichtdicke zu der zuletzt bestrahlten Schicht horizontal über die Trägerplattform 14 hinweg bewegt wird. Nach der Präparierung einer solchen Pulverschicht kommt dann die Bestrahlungseinrichtung 18 aus Laser 20 und Strahlablenkeinheit 22 zum Einsatz, um das Pulver an den vorbestimmten Stellen entsprechend dem der Pulverschicht zugeordneten Querschnitt des herzustellenden Formkörpers durch Bestrahlen umzuschmelzen. Im Beispielsfall wird der Laserstrahl 24 durch eine f-Theta-Linse 26 hindurch in den Prozessraum 6 eingebracht, wobei die Linse 26 auch als Fenster des Gehäuses 8 dient.
Nach Fertigstellung des aktuellen Bestrahlungsvorgangs wird die Trägerplattform 14 um das Maß der gewünschten Pulverschichtdicke abgesenkt, woraufhin dann der Glättungsschieber 16 eine neue Pulvermenge über der Bauplattform 14 verteilt, um die nächste zu bestrahlende Schicht herzustellen. Die vorstehend geschilderten Vorgänge des Bestrahlens und Schichtenpräparierens werden abwechselnd weiterhin durchgeführt, bis der Gegenstand 2 fertiggestellt ist. Eine Steuereinrichtung 28 mit einem Prozessrechner dient zur Steuerung des Bauprozesses, wobei sie die Abtastbewegung des Laserstrahls 24 durch Steuerung der Strahlablenkeinheit 22 nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers 2 steuert.
Steuerbar mittels der Steuereinrichtung 28 sind auch Bestrahlungsparameter, wie die Leistung des Laserstrahls 24, die Fokussierung des Laserstrahls 24 und die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls 24. Durch Modulation wenigstens eines dieser Bestrahlungsparameter, vorzugsweise mehrerer Bestrahlungsparameter, kann der Energieeintrag des Laserstrahls pro Zeiteinheit in die jeweils bestrahlte Pulverschicht am Strahlauftreffort, d. h. dem jeweiligen Bestrahlungsort, entsprechend einer gewünschten Bestrahlungsstrategie geändert werden. Die jeweilige Energiedichte des Laserstrahls 24 am Strahlauftreffpunkt kann somit in Abhängigkeit vom jeweiligen Bestrahlungsort variiert werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt eine solche Modulation der Energiedichte des Laserstrahls am Bestrahlungsort auf einer jeweiligen Schicht in Abhängigkeit von dem Ableitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs des Bestrahlungsortes. Je kleiner das Wärmeleitvermögen in der Umgebung eines Bestrahlungsortes ist, desto geringer wird der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit am Bestrahlungsort gewählt, so dass ein möglichst gleichmäßiger Umschmelzprozess bei einer möglichst optimalen Umschmelztemperatur stattfinden kann. An Bestrahlungsorten mit einem sehr guten Wärmeableitvermögen der Umgebung erfolgt normalerweise ein größerer Energieeintrag pro Zeiteinheit, um den Umschmelzvorgang in der gewünschten Weise dort ablaufen zu lassen. Das Wärmeableitvermögen, also die Wärmeleitfähigkeit des Pulvers ist üblicherweise erheblich geringer als die Wärmeleitfähigkeit bereits durch Umschmelzen verfestigten Materials des entstehenden Formkörpers 2. Ist der aktuelle Bestrahlungsort überwiegend von dem Werkstoffpulver umgeben, so kann es bei Bestrahlung mit zu hoher Energiedichte zu einem Wärmestau am Strahlungsort und zu einer Temperaturerhöhung weit über den Schmelzpunkt des Pulvers kommen. Dabei können unerwünschte Verdampfungseffekte stattfinden und Schmelzspritzer ausgelöst werden. In Bereichen, in denen ein jeweiliger Strahlungsort weit überwiegend von bereits verfestigtem Material des entstehenden Formkörpers umgeben ist, würde die Bestrahlung mit der gleichen Energiedichte ggf. gerade ausreichen, um das Pulver am Bestrahlungsort umzuschmelzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Umbauprozess mit der Steuereinrichtung 28 so kontrolliert, dass der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort auf einer betreffenden Schicht in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs des Bestrahlungsortes gewählt und durch Einstellung betreffender Bestrahlungsparameter mittels der Steuereinrichtung 28 gesteuert wird.
Anhand der Erläuterungsskizzen gemäß den 2–6b wird im Folgenden die grundsätzliche Vorgehensweise der Ermittlung des Wärmeableitvermögens eines jeweiligen definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs an verschiedenen Bestrahlungsorten auf einer aktuell bestrahlten Schicht erläutert.
2 zeigt schematisch in einer Schnittansicht einen Bauzylinder 29 mit einer darin vertikal absenkbaren Bauplattform 14, deren jeweilige Positionierung mittels einer Steuereinrichtung (vgl. 28 in 1) gesteuert wird. Auf der Bauplattform 14 befindet sich eine Substratplatte 30, auf welcher der in 2 bereits teilweise aufgebaute Formkörper 2 unter Zwischenschaltung einer ebenfalls in dem aktuellen Bauprozess nach dem SLM-Verfahren hergestellten Stützstruktur 32 schichtweise aufgebaut wird.
In der Momentaufnahme gemäß 2 findet die Bestrahlung der zuvor präparierten obersten Pulverschicht 34 mittels des Laserstrahls 24 statt. Zur weiteren Erläuterung werden vier willkürlich herausgegriffene Bestrahlungsorte I, II, III und IV auf der Schicht 34 betrachtet. Der Einfachheit halber sei ferner angenommen, dass diese vier Bestrahlungsorte auf einer geradlinigen Laserspur in der Zeichnungsebene liegen, wobei der Laserstrahl 24 die Schicht 34 in 2 aktuell von links nach rechts abtastet und dabei u. a. auch über die Bestrahlungsorte I–IV fährt. Der Bestrahlungsort I liegt nahe an dem seitlichen Rand 36 des bereits hergestellten Teils des Formkörpers 2.
3a zeigt den mit A in 2 gekennzeichneten Bereich in einer vergrößerten Ansicht, wobei in 3a zusätzlich ein definierter Umgebungsbereich 38 des aktuellen Bestrahlungsortes I als Gitter eingezeichnet ist. Dieser Umgebungsbereich 38 liegt unterhalb des Bestrahlungsortes I, also unterhalb der Oberseite der aktuell bestrahlten Schicht 36. Im Beispielsfall ist der Umgebungsbereich 38 ein Halbwürfel, der – ebenfalls nur beispielhaft – in 9 × 9 × 5 Volumenelemente 40 unterteilt ist. Das Würfelzentrum ist durch das Volumenelement 42 bestimmt, welches an dem Bestrahlungsort I liegt.
Die mit 44 gekennzeichneten und mit Schlangenlinien markierten Volumenelemente sind bereits verfestigt und bilden einen entsprechenden Bereich des Formkörpers 2. Die mit Pünktchen unterlegten Volumenelemente 44 enthalten Pulver und stellen Bereiche mit geringerer Wärmeableitfähigkeit als die Bereiche mit bereits verfestigtem Material dar.
Als Maß für das Wärmeableitvermögen des Umgebungsbereichs 38 des aktuellen Bestrahlungsortes I wird die Menge, d. h. die Anzahl der in dem definierten Umgebungsbereich 38 liegenden und bereits verfestigten Volumenelemente 44 ermittelt. 3b zeigt hierzu den Umgebungsbereich 38 in der Draufsicht auf die Oberseite der Schicht 34. Von den insgesamt 405 Volumenelementen in dem definierten Umgebungsbereich 38 sind 282 Volumenelemente bereits verfestigt und bilden somit einen relativ großen zusammenhängenden Subbereich mit besserer Wärmeableitfähigkeit.
In den 4a und 4b ist der definierte Umgebungsbereich 38 für den Bestrahlungsort II in Seitenansicht und in Draufsicht dargestellt. Die Zahl an bereits verfestigten Volumenelementen 40 in dem Umgebungsbereich 38 des Bestrahlungsortes II beträgt 364 und ist somit größer als in der Situation gemäß 3a–3b. Der Umgebung des Bestrahlungsortes II wird somit ein besseres Wärmeableitvermögen zugeordnet als der Umgebung des Bestrahlungsortes I.
In den 5a und 5b ist der definierte Umgebungsbereich des Bestrahlungsortes III dargestellt. Die Anzahl an bereits verfestigten Volumenelementen beträgt 220, so dass der Umgebung des Bestrahlungsortes III ein noch geringeres Wärmeableitvermögen zugeordnet wird.
Noch geringer ist das Wärmeableitvermögen der Umgebung des Bestrahlungsortes IV. In den 6a und 6b ist der definierte Umgebungsbereich 38 des Bestrahlungsortes IV dargestellt. Es liegen nur 40 verfestigte Volumenelemente in dem Umgebungsbereich 38 vor, wobei diese 40 Volumenelemente allesamt in der aktuell bestrahlten Schicht liegen. Der Bestrahlungsort IV hat somit die Besonderheit, dass dort die aktuell bestrahlte Schicht 38 nur auf Pulver darunterliegender Pulverschichten liegt.
Im Beispielsfall wurde als definierter unmittelbarer Umgebungsbereich eines Bestrahlungsortes ein Halbwürfel gewählt. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann dieser Umgebungsbereich z. B. eine Halbkugel sein, in dessen Kugelzentrum das Volumenelement mit dem aktuellen Bestrahlungsort liegt. Auch weitere Formen des definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs sind möglich.
In dem gezeigten Beispielsfall sind die Volumenelemente Würfel. In anderen Ausführungsbeispielen können solche Volumenelemente Quader oder Kugeln oder dgl. sein. Vorzugsweise liegen die Volumenelemente 40 exakt in den Aufbauschichten, wobei die Volumenelementhöhe der entsprechenden Schichtdicke entspricht.
Im Beispielsfall mit würfelförmigen Volumenelementen 40 entspricht somit die Kantenlänge der Volumenelemente 40 im Wesentlichen der jeweiligen Pulverschichtdicke d.
Bei der Bestimmung des Wärmeableitvermögens eines betreffenden Umgebungsbereichs 38 kann die Menge der bereits verfestigten Volumenelemente 40 noch mit anderen Größen gewichtet werden, etwa wie groß der Flächenanschluss bereits verfestigter Volumenelemente an das dem jeweiligen Bestrahlungsort zugeordnete Volumenelement ist.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der komplette Formkörper datenmäßig in Volumenelemente (Voxel) unterteilt, die mit den Volumenelementen 40 (soweit diese in dem Formkörper liegen) vorzugsweise deckungsgleich sind, und jedem dieser Volumenelemente des Formkörpers wird ein jeweiliger Bestrahlungsort zugeordnet. Jedem so festgelegten Bestrahlungsort wird ein Bestrahlungsparametersatz zugeordnet, der von dem ermittelten Maß des Wärmeableitvermögens des definierten Umgebungsbereichs des Bestrahlungsorts in der oben angesprochenen Weise abhängt. Die Bestrahlungsparametersätze werden vorzugsweise in Zuordnung zu den Bestrahlungsorten gespeichert und von der Steuereinrichtung bei der Steuerung des Bestrahlungsvorganges aufgerufen und berücksichtigt. Alternativ zur Festlegung einer solchen Datenzuordnungsstruktur kann das jeweilige Maß des Wärmeableitvermögens eines Umgebungsbereichs auch in Echtzeit während des Bestrahlungsvorganges von der Steuereinrichtung 28 berechnet und dem jeweiligen Bestrahlungsort zugeordnet werden. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nicht das Wärmeableitvermögen im Sinne der Wärmeleitfähigkeit physikalisch berechnet werden muss, sondern dass als Maß für das Wärmeableitvermögen eine Ersatzgröße, im einfachsten Fall die oben erläuterte Anzahl der verfestigten Volumenelemente in dem jeweiligen Umgebungsbereich verwendet werden kann.
7 zeigt in einem qualitativen Beispiel in einer Draufsicht auf die aktuell zu bestrahlende Schicht 34 gemäß 2 Bereiche X1, X2, X3 und X4, die nach dem Wärmeableitvermögen der Umgebung der darin liegenden Bestrahlungsorte unterschieden sind. In dem Bereich X1 ist das Wärmeableitvermögen der Umgebung am größten, so dass in diesem Bereich X1 der Energieeintrag pro Zeiteinheit durch den Laserstrahl am Bestrahlungsort relativ groß zu wählen ist. Die Bereiche X2, X3 und X4 sind durch in der Reihenfolge der Aufzählung abnehmendes Wärmeableitvermögen der Umgebung gekennzeichnet, so dass in entsprechender Weise auch der Energieeintrag durch Strahlung pro Zeiteinheit am Strahlungsort entsprechend kleiner gewählt wird.
Die einzelnen Bereiche X1–X4 sind jeweiligen Toleranzen des Wärmeableitvermögens zugeordnet, wenngleich nach der vorliegenden Erfindung jedem einzelnen Voxel ein eigenes Maß für das Wärmeableitvermögen seines definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs zugeordnet werden könnte.
Vorzugsweise wird in einem jeweiligen Bereich X1–X4 der gewählte Bestrahlungsparametersatz beibehalten. So wird z. B. in dem Bereich X1 die Laserleistung und die Ausdehnung des Strahlauftreffpunktes nicht verändert und der Strahl mit im Wesentlichen konstantem Geschwindigkeitsbetrag über den Bereich X1 geführt. Entsprechendes gilt für die jeweiligen Bestrahlungsparamtersätze in den Bereichen X2, X3 und X4.
Weiterhin kann die Abtastspur des Laserstrahls auf der Schicht jeweils nach weiteren Optimierungspunkten gewählt werden, etwa um den Bauprozess zeitlich zu beschleunigen.
So besteht auch die Möglichkeit, bestimmte Geometrietypen der Abtastspuren bzw. Abtastspurabschnitte unterschiedlichen Bereichen X1, X2, X3 und X4 in 7 zuzuordnen, wobei diese Geometrietypen (Abtastvektoren) ebenfalls in einer von der Steuereinrichtung 28 abrufbaren Weise in Zuordnung zu unterschiedlichen Bereichen X1, X2, X3, X4 in einem Speicher gespeichert sind. Diese Vorgehensweise ist selbstverständlich nicht auf das Beispiel der 2–7 beschränkt, sondern verallgemeinerbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erlauben somit ein gleichmäßiges Umschmelzen des Pulvers, so dass Verdampfungseffekte, Schmelzspritzeffekte und dgl. weitestgehend unterdrückt werden und der hergestellte Formkörper ohne kritische mechanische Spannungen und formgetreu entsprechend den Geometriebeschreibungsdaten aufgebaut wird. Auch eine Stützstruktur 32, wie in 2 gezeigt, kann in den Bauprozess nach der Erfindung einbezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19905067 A1 [0003]
DE 10236907 A1 [0003]
DE 10208150 A1 [0003]
DE 10112591 A1 [0003]
EP 1839781 A2 [0003]
DE 19649865 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver, umfassend die Schritte: a) Präparieren einer Schicht (34) aus Werkstoffpulver, b) Erhitzen der Schicht (34) durch ortsselektives Bestrahlen der Schicht (34) entsprechend einem der Schicht (34) zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (2) nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers (2) mit kontrollierter Strahlung, so dass das Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen entsprechend dem Querschnittsmuster des Formkörpers (2) durch Verschmelzen verfestigt wird, c) Präparieren einer nächsten Schicht aus Werkstoffpulver (34) auf der zuletzt bestrahlten Schicht und d) Erhitzen der zuletzt präpierten Schicht (34) durch ortsselektives Bestrahlen der Schicht (34) entsprechend einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers mit kontrollierter Strahlung, so dass das Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen entsprechend diesem Querschnittsmuster des Formkörpers (2) durch Verschmelzen verfestigt wird, und e) mehrfaches Wiederholen der Schritte c) und d) zumindest bis zur Fertigstellung des Aufbaus des Formkörpers (2), wobei der durch das Bestrahlen in den Bestrahlungsschritten d) erfolgende ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit durch Strahlung abhängig vom jeweiligen Bestrahlungsort auf der Pulverschicht (34) variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bestrahlungsschritten d) der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort (I, II, III, IV) aufder jeweiligen Schicht (34) in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs (38) des Bestrahlungsortes (I–IV) gewählt und durch Einstellung von Bestrahlungsparametern, wie Energiedichte der Strahlung am Bestrahlungsort oder/und Dauer der Bestrahlung des Bestrahlungsortes, automatisch entsprechend moduliert wird, wobei der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit am Bestrahlungsort im Rahmen etwaiger Toleranzen umso größer gewählt wird, je größer das Wärmeableitvermögen seines Umgebungsbereiches (38) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ortsselektive Bestrahlen durch gesteuertes Abtasten der jeweiligen Pulverschicht (34) mit einem gebündelten Laserstrahl (24) realisiert wird, wobei in Abhängigkeit vom Wärmeableitvermögen der definierten unmittelbaren Umgebung des jeweiligen momentanen Bestrahlungsortes (I–IV) die Strahlungsleistung oder/und die Ausdehnung des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf der Pulverschicht (34) oder/und die Strahlabtastgeschwindigkeit an dem Bestrahlungsort (I–IV) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitvermögen des definierten unmittelbaren Umgebungsbereiches (38) des jeweiligen Bestrahlungsortes (I–IV) unter Berücksichtigung der Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers (2) bestimmt und zur automatischen Steuerung der zu modulierenden Bestrahlungsparameter mittels einer den Bestrahlungsvorgang steuernden Steuereinrichtung (28) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Werte des Wärmeableitungsvermögens in Zuordnung zu jeweiligen Geometriebeschreibungsdaten der betreffenden Bestrahlungsorte (I–IV) gespeichert werden, so dass sie von der Steuereinrichtung (28) auslesbar und verarbeitbar sind, um die Bestrahlungsvorgänge während des Bauprozesses zu steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des jeweiligen Wärmeleitvermögens der unmittelbaren Umgebungsbereiche der betrachteten Bestrahlungsorte (I–IV) ein theoretisches Modell des Formkörpers (2) oder eines Bereiches davon datenmäßig in die einzelnen Aufbauschichten (34) unterteilt wird und diese Schichten (34) zudem in eine Vielzahl von Volumenelementen (40) mit einer der Schichtdicke (d) entsprechenden Volumenelementhöhe unterteilt werden, wobei die Volumenelemente (40) den Bestrahlungsorten zuzuordnen sind und stellvertretend für diese betrachtet werden, dass für jedes stellvertretend für einen betreffenden Bestrahlungsort betrachtete Volumenelement (40) ein unmittelbarer Umgebungsbereich (38) definiert wird und dass als Maß für die Bestimmung des Wärmeableitvermögens des definierten unmittelbaren Umgebungsbereichs (38) eines betreffenden Bestrahlungsortes (I–IV) die Menge der in dem Umgebungsbereich (38) jeweils liegenden Volumenelemente des bei Bestrahlung des betreffenden Bestrahlungsortes (I–IV) bereits durch Umschmelzen verfestigten Teils des Formkörpers berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den jeweiligen Umgebungsbereich (38) jeweils die Menge der Volumenelemente (40) des bereits durch Umschmelzen verfestigten Teils des Formkörpers (2) berücksichtigt wird, die in Schichten unterhalb der Schicht (34) des betrachteten Bestrahlungsortes liegen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Menge der in dem Umgebungsbereich (38) liegenden Volumenelemente des bereits durch Umschmelzen verfestigten Teils des Formkörpers berücksichtigt wird, die in der Schicht des aktuell betrachteten Bestrahlungsortes (I–IV) liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bestrahlungsparametersätze mit Bestrahlungsparametern, die von dem jeweiligen Wärmeableitvermögen der definierten unmittelbaren Umgebungsbereiche der betrachteten Bestrahlungsorte abhängen in Zuordnung zu Geometriebeschreibungsdaten dieser Bestrahlungsorte gespeichert werden, so dass sie von der Steuereinrichtung (28) auslesbar und verarbeitbar sind, um die Bestrahlungsvorgänge zu steuern.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend ein Prozessraumgehäuse (8) mit einer Trägerplattform (14) zur Abstützung des herzustellenden Formkörpers, eine Schichtenpräparierungseinrichtung (16) zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Trägerplattform (14), eine Bestrahlungseinrichtung (18) zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Trägerplattform (14) nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers und eine Steuereinrichtung (28) zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet und programmiert ist, die Bestrahlungseinrichtung so zu steuern, dass der ortsselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort (I–IV) auf der jeweiligen Schicht (34) in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines definierten unmittelbaren Umgebungsbereiches (38) des Bestrahlungsortes (I–IV) durch entsprechende Einstellung von Bestrahlungsparametern, wie Energiedichte der Strahlung am Bestrahlungsort, oder/und Dauer der Bestrahlung des Bestrahlungsortes erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (18) einen Laser (20) und eine Strahlablenkeinheit (22) zur gesteuerten Ablenkung des von dem Laser imitierten Laserstrahls (24) aufweist.